К токамаку придумали «радиатор» для защиты от раскаленной плазмы
Термоядерные реакторы — это технологии будущего для выработки электричества путем соединения двух легких атомных ядер в одно более тяжелое. Эти реакции выделяют огромное количество энергии без выбросов парниковых газов.
Один из самых надежных и перспективных проектов термоядерных реакторов — так называемый токамак. Концепция, как и ее название, изобретены в СССР в 1950-х. Она предполагает удержание плазмы магнитным полем в форме бублика.
Внедрение этой безусловно прорывной идеи осложняется трудностями практической реализации. Из-за своей огромной температуры плазма может взаимодействовать со стенками реактора, повреждая их и негативно влияя на долговечность и производительность.
На экспериментальном токамаке TCV в Федеральной политехнической школе Лозанны (EPFL) нашли новую конфигурацию удержания плазмы, которая может предотвратить перегрев токамаков, позволяя им рассеивать избыточное тепло и тем самым потенциально повышая их эффективность. Решение под названием X-point target radiator (XPTR — X-точечный целевой радиатор) описано в журнале Physical Review Letters.
«Снижение тепловой нагрузки на дивертор — ключевая задача для будущих термоядерных электростанций. Один из перспективных подходов, X-точечный радиатор, рассеивает энергию плазмы вблизи X-точки, но его масштабируемость остается под вопросом из-за близости к ядру плазмы. Мы экспериментально исследовали эффект добавления вторичной X-точки вдоль канала дивертора, чтобы расширить рабочий диапазон и сохранить удержание плазмы в ядре — концепция, известная как X-точечный целевой дивертор», — пояснил аспирант EPFL Кеннет Ли.
В токамаках X-точка — это место, где силовые линии магнитного поля проходят строго тороидально, что играет ключевую роль в формировании плазмы и отводе тепла от ядра через узкую магнитную воронку, которую называют дивертором. X-точечные радиаторы — это режимы работы плазмы, при которых значительная часть тепла преобразуется в равномерное излучение вблизи X-точки.
Ли и его коллеги провели эксперименты по добавлению второй X-точки вдоль дивертора, расположенной вне зоны удержания плазмы. Эта дополнительная X-точка может способствовать более эффективному отводу избыточного тепла, предотвращая повреждение токамака и повышая его долговечность.
«Мы использовали уникальную гибкость магнитной конфигурации токамака TCV, чтобы ввести вторичную X-точку, и обнаружили локализованное излучение далеко от ядра плазмы, которое сохраняет его производительность, значительно снижая тепловую нагрузку на дивертор. Мы выяснили, что X-точечный целевой радиатор обладает высокой стабильностью и может поддерживаться в широком диапазоне рабочих условий, что потенциально предлагает гораздо более надежный метод управления отводом мощности в термоядерной электростанции», — рассказал физик.
В первых испытаниях предложенный подход показал выдающиеся результаты, отводя избыточное тепло из магнитно-удерживаемой плазмы эффективнее, чем традиционные схемы.
Новая конфигурация с X-точечной мишенью планируется к внедрению в токамаках следующего поколения SPARC, разрабатываемых Commonwealth Fusion Systems в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом.
